超級雙相不銹鋼換熱管焊縫返修性能研究

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(1.蘭州蘭石鑄鍛有限責任公司，甘肅 蘭州 730314；2.新疆蘭石重裝能源工程有限公司，新疆 哈密 839000)

S32750不銹鋼是一種超級雙相不銹鋼[1]，該材料屬于奧氏體不銹鋼，具有奧氏體不銹鋼的耐腐蝕性，優良的塑性、韌性和焊接性。同時它內部還含有一定量的鐵素體，也兼具鐵素體不銹鋼的高強度和耐氯化物應力腐蝕性能[2]。此外，超級雙相不銹鋼還具有抗點蝕、窄間隙縫隙內部抵抗腐蝕、氯化物環境抗應力腐蝕、抗疲勞和抗晶間腐蝕等特點[3-6]。目前，越來越多的石油、天然氣及化工企業選用這種超級雙相不銹鋼作為熱交換器管束的材料[7]，以延長熱交換器的使用壽命，提高設備運行的安全穩定性。

文中結合高壓熱交換器運行環境的高溫、高壓及介質腐蝕性強等特點，對S32750超級雙相不銹鋼換熱管與堆焊S2209型雙相不銹鋼管板的焊接性能進行試驗，對管板堆焊層和管頭焊縫的同一部位進行返修，以掌握超級雙相不銹鋼換熱管制造技術，制訂出合理優化的制造工藝，為雙相不銹鋼的焊縫返修性能研究提供技術支持。

1 焊接試驗材料及方法

1.1 試驗用材料及焊接材料

試驗用管板基層材料為2.25Cr-1Mo鋼板材，厚度30 mm。

焊接方法采用帶極堆焊，堆焊過渡層和表層時均采用SANDVIK公司生產的焊接材料。過渡層堆焊采用鋼帶21.12.3.L配焊劑34S，表層堆焊采用鋼帶22.8.3L配焊劑10SW，管接頭焊接材料采用?2.4 mm的SANDVIK25.10.4.L[8]。

1.2 堆焊注意要點

雙相不銹鋼具有良好的焊接工藝性，在焊接過程中和焊接完成后一般都不會產生熱裂紋和冷裂紋，焊接效果較好[9]。即便如此，焊接過程中仍需嚴格按照焊接工藝控制焊接過程。

在雙相不銹鋼的焊接試驗過程中應當注意以下幾點[10]：

(1)焊接熱輸入量是影響焊接質量的重要因素，建議在焊接過程中將焊接熱輸入量合理控制在8～15 kJ/cm。

(2)雙相不銹鋼一般不進行焊前預熱。當材料溫度低于5 ℃或材料不干燥時，將溫度及表面處理到正常范圍，預熱至20 ℃左右即可。

(3)采用多道多層焊進行焊接，層間溫度最高控制在150 ℃。

(4)禁止在母材引弧，防止引弧冷卻過快使鐵素體含量升高，要絕對避免快速冷卻。

1.3 試板焊接規范

1.3.1堆焊試板

在試板上采用帶極焊機堆焊5 mm的S2209型不銹鋼，見圖1。

焊接操作參數為，堆焊試板過渡層預熱溫度150 ℃、其余層預熱溫度10～150 ℃，過渡層層間溫度150～250 ℃、其余層層間溫度10～150 ℃，后熱處理規范(250～350) ℃×2 h，電源直流反接，焊接電流450～550 A，焊接電壓29～31 V，焊接速度10～11 m/h[11]。

堆焊試板焊接試驗完成后對試板進行了鐵素體含量的測量，結果為堆焊試板中帶極堆焊的鐵素體數FN均在35～45[12]。

1.3.2換熱管-管板焊接試板

采用?2.4 mm的SANDVIK 25.10.4.L，對換熱管-管板焊接試板進行手工鎢極氬弧焊填絲焊接，焊接層次1～2層，預熱溫度10 ℃，層間溫度10～150 ℃，電源直流正接，焊接電流140～150 A，焊接電壓15～17 V，焊接速度105 mm/min，最大線能量14.57 kJ/cm，氬氣體積流量10～15 L/min[13]。換熱管-管板焊接試板見圖2。

圖2 換熱管-管板焊接試板

1.4 返修

一次返修是利用碳弧氣刨或鉆加工方法將管板堆焊層和管接頭原焊縫金屬去除，然后重新進行焊接，焊接規范分別與前述試板焊接規范一致。堆焊試板返修是去除部分焊縫金屬，管接頭試板返修是去除全部焊縫金屬，但保留熱影響區。

二次返修是在一次返修基礎上重復上述返修過程。返修后制取的試樣均應包含返修時的焊接接頭熱影響區。

2 焊接試驗結果

焊態、一次返修及二次返修后換熱管-管板試板試驗結果見表1。管板與換熱管接頭部位各區金相組織照片見圖3。

表1 焊態及返修后換熱管-管板試板試驗結果

圖3 管板與換熱管接頭各區金相組織(400×)

對試驗結果的分析對比表明，所有試板焊接接頭的力學性能、硬度、金相組織及鐵素體含量均滿足技術條件要求，腐蝕試驗時試板雖然出現了點蝕坑，但由于試樣加工不標準，且焊縫是完好的，因此不足以說明腐蝕不合格[17]。

由表1可知，焊態、一次返修與二次返修試板在拉脫力、硬度、宏觀檢查、H值等方面均符合要求，且三者的結果差別不大。焊態、一次返修與二次返修試板的點蝕試驗結果均不合格。焊態試板焊縫區未出現腐蝕坑，一次返修和二次返修試板均在焊縫位置出現點蝕坑，一次返修試板腐蝕較輕微，二次返修試板較一次返修試板腐蝕嚴重[18]。

返修次數對焊接質量的影響實際就是對焊接熱影響區性能的影響，通過制定準確詳細的焊接規范參數、嚴格控制熱輸入量和層間溫度可以保證返修后焊接接頭具有合理的雙相組織比例，避免出現σ、x、M23C6、Cr2N、γ2、α＇等析出相，從而保證雙相不銹鋼的性能，尤其是其在鹵素離子環境下優良的局部腐蝕抗力[19]。

3 結語

對S32750超級雙相不銹鋼換熱管與堆焊S2209型雙相不銹鋼管板的焊接性能進行了研究，換熱管-管板焊接接頭各項性能符合技術條件要求。換熱管-管板試板在限定的焊接規范參數下經一次返修、二次返修后各項性能符合技術要求，但焊縫區域出現了不同程度的腐蝕現象，可見在生產制造中焊接返修對腐蝕性能有一定影響，應盡量減少返修次數[20]。通過對S32750超級雙相不銹鋼進行的焊接試驗，掌握了相關焊接工藝參數，為后期的生產制造提供了技術準備。